1、基于虛擬樣機技術的橫軸式掘進機截割頭模態分析1    摘 要：為了研究橫軸式掘進機截割頭的振動特性，在Pro/E 中建立了該型掘進機截割頭的三維實體模型，利用Mechanism/pro 將模型映射到Adams 環境下的模型添加驅動載荷，確保映射到運動模型中的約束及驅動滿足運動要求。然后進行動態仿真分析，最后在PostProcessing 中分析所得結果，繪制各階段模態坐標圖、二維和三維頻響圖，得出了該掘進機截割頭的模態振型特征的分析結果，為改進截割頭的設計、提高其設計質量、完善掘進機的截割性能提供了依據。關鍵詞：橫軸式掘進機；截割頭；Adams；模態分析

2、；仿真中圖分類號：TD421.5+2；TP391.72 文獻標識碼：A0 引言截割頭是掘進機工作機構的核心部件1。在截割過程中，由于受力不斷變化，致使截割頭的載荷變化很大。這些變化的載荷成為了掘進機振動的主要原因，產生的振動使截割頭和截齒均存在不同程度的振動及磨損。因此，本文將采用虛擬樣機技術對橫軸式掘進機的截割頭進行模態分析，利用Adams/vibration 分析截割頭的動態響應特性，以獲得其模態振型，研究結果可為設計橫軸式掘進機截割頭提供合理的依據。1 虛擬樣機建立1.1 橫軸式掘進機三維實體模型由Pro/E 建立一個兩條螺旋葉片，頭體長1205mm,直徑為625mm，36 個截齒的橫軸

3、式掘進機截割頭的三維實體模型2。用Pro/ENGINEER 的參數功能建立設計參數，然后由Pro/TooLKIT 應用程序檢索出模型的設計參數（見圖1），由參數提供的編輯功能和根據新的設計參數再生三維模型，基于Pro/E 的變量化設計和實體造型技術，生成三維裝配模型如圖2 所示。圖1 截割頭參數化設計的對話框 圖2 橫軸式掘進機截割頭模型更新后的三維裝配模型Fig.1 Dialogue of cuttinghead parameteric Fig.2 Model update of three-dimensional horizontaldesign roadheader cutting he

4、ad model of assembly1.2 模型導入Adams1本課題得到國家自然科學基金（項目編號：59774033)、國家煤礦安全監察局安全生產科技發展指導性計項目(項目編號：05-082)、遼寧省教育廳創新團隊項目(項目編號：2007T068)、遼寧省大型工礦裝備實驗研究中心(遼寧省高校重點實驗室)開放基金資助項目(項目編號：07-61)、遼寧省安全生產監督管理局安全生產科技發展(遼安監規劃200988 號文)和遼寧省大型工礦裝備重點實驗室(遼寧省第二批科學技術計劃項目,2008403010) 的資助。-2-利用接口軟件Mechanism/pro 在Pro/E 環境下對整機模型裝配體

5、定義剛體，對需要研究的部件逐一添加約束后，將模型映射到Adams 中模型添加驅動載荷，定義各零、部件的材料屬性等，軟件會自動計算質心、轉動慣量等質量信息。再對其模型進行驗證，確保映射到運動模型中的約束及驅動滿足運動要求。基本步驟如圖3 所示。圖3 橫軸式掘進機截割頭仿真步驟Fig.3 Simulation steps of horizontal roadheader cutting head根據圖3 所示步驟，將模型導入Adams 中（見圖4）。圖4 橫軸式掘進機截割頭的三維實體模型Fig.4 Three-dimensional entity model of horizontal roadh

6、eader cutting head1.3 截割頭上的載荷模型截割頭在截割過程中，截割頭上各截齒的載荷是隨所處位置不同改變其大小和方向的，不同時間同一個截齒的負荷也不同。截割頭實際工作過程中，截割頭在0180°內的截齒參與截割，180360°內的截齒不參與截割。運用Adams/view 中的IF 函數施加載荷，函數表達式如下3：IF(sin(t ),0,0,F)利用Mechenism/pro 模型導入AdamsAdams 環境對截割頭添加驅動，定義材料屬性驗證模型前處理階段Pro/e 橫軸式掘進機截割頭建模利用Mechenism/pro 定義截割頭，添加約束仿真分析-3-t

7、 = n + 式中 t截齒所在位置角（deg）；F 截齒受力，N；n截割頭轉速，（deg）/ s ； 截齒初始位置角，（deg）。根據上面得公式，對每個截齒的齒尖處逐一施加(x,y,z)(系統坐標系)三個分量的作用力，分別為x 方向： IF(sin(time*89+20):0,0, 20874.3565) ； y 方向： IF(sin(time*89+20):0,0,4246.7517)；z 方向：IF(sin(time*89+20):0,0, 25753.5256)，具體施加的過程如圖5 所示，施加后的具體情況和圖6 所示。圖5 對截齒施加三個分量的作用力 圖6 截割頭空間載荷模型Fig.5

8、 The three components of the force Fig.6 Three-dimensional loads model ofimposed on pick cutting head2 仿真分析利用Adams/virbution 模態分析方法，分析截割頭水平截割過程中，截割頭的振動特性(固有頻率和振型) 4。圖7、圖8 分別為仿真后得出的模態數據列表和第7 階模態坐標圖。可見，第9 階模態影響最大，其截割頭固有頻率為15.88181Hz，相對于第9 階模態，其他模態頻響曲線接近平直。圖7 模態數據-4-圖8 第7 階模態坐標圖Fig.8 Plot of modal coor

9、dinates in 7 band圖9、圖10 分別為截割頭在水平方向方向加速的變化頻幅響應的二維和三維圖，由圖可見在17Hz 左右處出現明顯波峰，將產生共振現象；3Hz 以后，由于振動頻率逐漸增加，時間變化逐漸減少，工作頻率遠離部件固有頻率，截割頭振動基本趨于平穩狀態。5圖9 加速度頻響圖Fig.9 Frequency response diagram of acceleration圖10 加速度三維頻響圖Fig.10 Three-dimensional frequency response diagram of acceleration圖9，10 表明，在頻率10.85 處有明顯波峰。位移

10、幅頻響應在頻率小于10 段，各主要部件位移振幅幾乎沒有變化，峰值點附近振幅變化明顯。機身振幅在頻率為10.85100 段變化較慢。加速度幅頻響應在小于10 頻率段截割頭位移振幅呈上升趨勢，峰值點附近振幅變化明顯，大于29 頻率段，懸臂、截割頭振幅基本平穩。這是由于振動位移減小，振動頻率增加，變化時間相對減少，加速度不變造成的，同時也與各主要部件的固有頻率有關。由于懸臂固有頻率為10.3579，接近截割頭的工作頻率10.23，懸臂主要共振區域接近工作頻率，-5-因此懸臂相對其部件幅值較大。截割頭模態振型特征的分析結果如表1 所示。表1 截割頭模態振型特征Tab.1 Modal vibration

11、 pattern characteristics of cutting head3 結束語利用三維建模軟件Proe 建立橫軸式掘進機截割頭模型，通過Mechanism/pro 接口軟件將模型映射到Adams 環境下完成截割頭載荷的添加，完成前處理階段。最后對其進行模態分析，得出并分析了前13 階的固有頻率及固有振型，分析截割頭運動參數對截割過程的影響規律，對于提高截割頭的截割效率、探討截齒的磨損狀況以及設計和評價截割頭的結構與性能提供了科學的方法。階數 固有頻率(Hz) 模態振型特征1 0 截割頭模型沒有明顯振動2 0 截割頭模型沒有明顯振動3 1.996124E+001 截割頭有明顯振動、懸

12、臂輕幅度振動4 2.041343E+001 截割頭有明顯振動、懸臂輕幅度振動5 2.960164E+001 截割頭有明顯振動、懸臂輕幅度振動6 3.392354E+001 截割頭有輕微振動、懸臂恢復平靜7 4.366393E+000 相對于第6 階截割頭振動增加8 4.631711E+001 截割頭振動增大，伸縮臂振動增大9 1.588181E+001 相對于第8 階，截割頭振動減小，伸縮臂振動減小10 2.800475E+002 振動幅度增大，振動明顯，固有頻率大于28011 9.372213E+002 同第10 階類似，振動幅度繼續加大，固有頻率大于90012 8.584447E+003

13、振動繼續加大，呈現不規則振動13 9.645860E+003 隨著擺角趨于最大，主要呈現不規則振動-6-參考文獻1 李曉豁著.掘進機截割頭設計與研究M.北京:中國華僑出版社,19972 徐東.基于Pro/E 的截割頭截齒安裝方法的研究J.機械管理開發,2009,24(3):133 鄭凱.ADAMS2005 機械設計高級應用實例M.北京:機械工業出版社,20064 MSC. Software Corporation, Getting Started Using ADAMS/vibrationM. MSC.Software Corporation, 20025 鄭建榮.ADAMS 虛擬樣機技術入門

14、與提高M.機械工業出版社，2001Modal analysis of horizontal roadheader cutting head basedon virtual prototype technologyLi Xiaohuo, Zhu Xingmei, He YangCollege of Mechanical Engineering Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning (123000)AbstractIn order to study the vibration characteristics of horizontal roa

15、dheader cutting head, three-dimensionalsolid mode of the roadheader cutting head was established in the Pro / E, used Mechanism / pro tomapped the model to the Adams environment to add drivers load , to ensure that the model is mappedto movement constraints and drive to meet the movement requirements. Then the dynamic simulationanalysis, finally, analysis the results PostProcessing , drawed various stages of modal coordinategraph ,two-dimensional and three-dimensional frequency response graphs, come to the roadheadercutting head modal characteristics of the modal analysis results , to imp